重建參數(shù)對(duì)于基于CZT半導(dǎo)體探測(cè)器SPECT/CT系統(tǒng)锝絕對(duì)定量準(zhǔn)確性的影響

王深，張如意，王澎，譚建，李寧，林曉云，孟召偉，賈強(qiáng)

天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院 核醫(yī)學(xué)科，天津 300052

引言

單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）/CT系統(tǒng)自20世紀(jì)90年代發(fā)明以來(lái)，已被廣泛應(yīng)用于診斷人類各種疾病，如心肌疾病、內(nèi)分泌疾病、中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病等[1-3]。SPECT/CT系統(tǒng)原理為Anger攝像機(jī)使用NaI（Tl）作為閃爍材料，通過(guò)閃爍光的位置計(jì)算出發(fā)生γ射線在人體中的位置[4]。目前1種新型的基于數(shù)字化碲-鋅-鎘化物（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）的SPECT/CT系統(tǒng)配備固態(tài)探測(cè)器，可在高壓電場(chǎng)下將入射的γ光子轉(zhuǎn)化為電子-空穴對(duì)，直接產(chǎn)生電信號(hào)[5]，這一過(guò)程避免了光子損耗，同時(shí)由于其具有比傳統(tǒng)NaI SPECT/CT系統(tǒng)更高的空間和能量分辨率，因此在得到更好的圖像質(zhì)量的同時(shí)[6]，采集時(shí)間較短，輻射劑量較低[7-8]。

絕對(duì)定量最初應(yīng)用于正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描（Positron Emission Computed Tomography，PECT），由于其定量精度高，被認(rèn)為是冠心病、微血管疾病、腫瘤等的無(wú)創(chuàng)定量分析方法的“金標(biāo)準(zhǔn)”[9-11]。傳統(tǒng)的NaI SPECT/CT系統(tǒng)無(wú)論是空間分辨率還是能量分辨率均相對(duì)較低，同時(shí)與PET相比，在SPECT/CT系統(tǒng)中應(yīng)用的放射性核素，有更多的散射光子[12-13]。這些缺點(diǎn)可能會(huì)放大部分體積效應(yīng)，影響散射校正（Scatter Correction，SC）、衰減校正（Attenuation Correction，AC）和分辨率恢復(fù)校正（Resolution Recovery Correction，RR）的效果，因此，SPECT/CT圖像可能更難量化。

然而近年來(lái)，隨著SPECT/CT系統(tǒng)的發(fā)展，絕對(duì)量化也得到了廣泛的驗(yàn)證和應(yīng)用，研究表明，在重建協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的情況下，絕對(duì)SPECT/CT定量在不同的SPECT/CT設(shè)備中前景廣闊[14]。雖然已有臨床實(shí)踐表明，各種重建參數(shù)也可能影響SPECT/CT定量的準(zhǔn)確性，但大多數(shù)研究?jī)H基于傳統(tǒng)的NaI SPECT/CT系統(tǒng)[15-17]，因此需要進(jìn)一步研究不同的重建參數(shù)對(duì)CZT SPECT/CT絕對(duì)定量的影響。本研究旨在評(píng)估不同重建參數(shù)（包括迭代重建算法中的迭代次數(shù)和子集數(shù)、后濾波、AC、SC以及RR）對(duì)CZT SPECT/CT系統(tǒng)中锝定量準(zhǔn)確性的影響。

1 材料與方法

1.1 模型準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)使用的體模（NEMA/IEC 2001）由一個(gè)“D”形圓柱體和6個(gè)直徑不同的球體（分別為37、28、22、17、13和10 mm）組成，同時(shí)將99mTcO4-（中國(guó)原子高科技術(shù)公司）以32∶1靶 -本（Target-to-Background，T/B）比對(duì)體模進(jìn)行填充。采集時(shí)小球放射性濃度為0.20 MBq/mL。

1.2 圖像采集參數(shù)

在Discovery NM/CT 670 CZT（GE Healthcare，美國(guó)）上進(jìn)行PET NEMA/IEC圖像質(zhì)量模型的SPECT/CT采集，該模型配備寬能高分辨率準(zhǔn)直器。所有SPECT圖像采用list模式（表模式）采集。采用步進(jìn)模式360°雙探頭采集（120 s/6°/幀），矩陣大小為128×128，Zoom值為1。主能量窗為140%±7.5% keV，散射能量窗為120%±5% keV。CT采集管電壓為120 kVp，管電流為200 mA，矩陣尺寸為512×512，層厚為1.25 mm。

1.3 圖像重建參數(shù)

所有圖像均采用OSEM算法進(jìn)行重建，迭代次數(shù)為1～90次，子集為2～30個(gè)。高斯濾波器的半高寬值（Full-Width Half-Maximum，F(xiàn)WHM）范圍為0.20～6.99 mm。本研究采用的校正方法包括基于CT的AC、基于雙能量窗技術(shù)的SC、基于點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的RR校正。采用AC+SC+RR、AC+SC、AC+RR 3種圖像校正組合評(píng)價(jià)圖像校正方法的影響。分析過(guò)程中在確定所有其他參數(shù)的同時(shí)，評(píng)估某個(gè)參數(shù)的影響，以確定最優(yōu)值。

1.4 定量分析

1.4.1 恢復(fù)系數(shù)

以CT圖像中球體的內(nèi)邊緣為參考，繪制6個(gè)球體的感興趣區(qū)（Volume of Interest，VOI）。使用GE-xeleris 4.0工作站（GE Healthcare，美國(guó)）的Q.Metrix自動(dòng)計(jì)算3次平均攝取值（MBq/mL）?；謴?fù)系數(shù)（Recovery Coefficients，RCs）計(jì)算方式如公式（1）所示。

1.4.2 圖像質(zhì)量評(píng)估

為評(píng)估圖像質(zhì)量，按照NEMA NU 2-2012標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算了對(duì)比度百分比和變異系數(shù)（Cofficient of Variation，COV）[18-21]。每個(gè)熱球的對(duì)比度QH,,j通過(guò)公式（2）計(jì)算。

式中，CH,,j為球體j的ROI平均值；CB,,j為球體j的背景ROI平均值；aH為熱球體中的活性濃度；aB為背景中的活性濃度。其中，背景ROI定義為：在每個(gè)層面上距離體模邊緣15 mm（但與任何熱球的距離不得小于15 mm）的位置繪制12個(gè)與對(duì)應(yīng)熱球ROI大小形狀相同的背景區(qū)域。通過(guò)公式（3）計(jì)算每個(gè)熱球的背景變異度Nj。

式中，SDj為球體j的背景ROI計(jì)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；CB,,j為球體j的背景ROI平均值。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，所有圖形均由GraphPad Prism 8.3.0和Origin Pro 2021制作。通過(guò)Pearson秩相關(guān)和線性回歸分析，分析了RCs與不同迭代次數(shù)和子集數(shù)、FWHM之間的關(guān)系。采用配對(duì)t檢驗(yàn)比較3種不同校正組合的RCs和對(duì)比度，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 迭代和子集數(shù)的影響

由圖1可知，較大球體的RCs比較小球體的RCs更早收斂，其中17～37 mm球體在35次迭代時(shí)收斂，10～13 mm球體在85次迭代時(shí)收斂。由表1可知，RCs與迭代次數(shù)之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系（1～35次迭代，r=0.58～0.92；35～90次迭代，r=0.97～0.99，P＜0.05）。線性回歸分析表明，1～35次迭代β值高于 35～90次迭代的β值（0.63～1.60vs.0.02～0.15）。在前35次迭代中，RCs迅速增加。

圖1 迭代次數(shù)對(duì)RCs的影響

由圖2可知，RCs并未隨著子集數(shù)量的增加而迅速增加。較大球體（17～37 mm）的RCs在20次子集后趨于穩(wěn)定。由表1可知，6個(gè)球體的r值介于0.68～0.89之間。經(jīng)線性回歸分析，6個(gè)球的β值介于0.09～0.70之間。

圖2 子集數(shù)對(duì)RCs的影響

2.2 高斯濾波的影響

由圖3可知，隨著高斯濾波FWHM值的增大（0.70～6.99 mm），所有球體的RCs都顯著下降。由表1可知，不同直徑球體的高斯濾波器FWHM值與RCs呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-1.00～-0.87，P＜0.05）。6個(gè)球體的β值均較高（-11.83～-9.49），此外，與迭代次數(shù)或子集不同，F(xiàn)WHM在RCs變化過(guò)程中無(wú)平臺(tái)期。

表1 不同重建參數(shù)下RCs的相關(guān)性和線性回歸分析

2.3 圖像校正方法的影響

圖4顯示了不同校正組合后重建圖像的視覺差異，由圖4可知，在所有T/B比值中，AC+SC+RR組合的視覺圖像質(zhì)量較好。由圖5的剖面圖表明，AC+SC+RR組合的RCs更接近實(shí)際球活度濃度，AC+RR組合預(yù)測(cè)的平均攝取值最高，由表2可知，AC+SC+RR組合的RCs低于AC+RR組合，但高于AC+SC組合（32∶1 T/B比為67.80%～106.70%vs.75.68%～120.23%vs.29.91%～67.96%，P＜0.001）。由表3可知，AC+SC+RR組合重建的6個(gè)小球的對(duì)比度百分比高于其他校正組合（AC+SC+RRvs.AC+RR；AC+SC+RRvs.AC+SC，P＜0.05）。但由表 4可知，AC+RR組合的COV低于AC+SC+RR組合或AC+RR組合（P＜0.001）。AC+SC組合高于AC+SC+RR組合（100.70%～103.52%vs.85.95%～93.77%，P＜0.001）。

圖4 不同的圖像校正組合下的重建圖像

圖5 模體剖面圖

3 討論

研究表明，以CT圖像為參考，可避免SPECT/CT系統(tǒng)的部分體積效應(yīng)，計(jì)算RCs的誤差更小[22]。Koole等[23]的研究表明，MR或CT圖像的高分辨率結(jié)構(gòu)信息有助于確定SPECT/CT圖像中的潛在病變。

本研究結(jié)果表明，迭代次數(shù)對(duì)量化有較大影響。37～17 mm較大球的RCs比13 mm和10 mm小球體的RCs更早收斂（圖1），說(shuō)明在絕對(duì)定量中，小的迭代次數(shù)即可能滿足較大的病變。雖然RCs與1～35次迭代的相關(guān)性低于35～90次迭代，但1～35次迭代的回歸系數(shù)比35～90次迭代的回歸系數(shù)高（表1）。所有球體的RCs在前35次迭代中也會(huì)迅速增加（圖1）。因此，確定最優(yōu)迭代次數(shù)為35次。此外，子集和RCs之間的相關(guān)性并不明顯，各T/B比的回歸系數(shù)均較低（0.09～0.70），說(shuō)明RCs不能隨著子集數(shù)量的增加而快速增加，因此子集對(duì)量化的影響相對(duì)較小。Vriens等[24]的模型研究也提示，子集對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化攝取值的影響較小。本研究中，對(duì)于較大的球體（17～37 mm），RCs在20個(gè)子集后趨于穩(wěn)定，而對(duì)于較小的球體（10～13 mm），RCs在20個(gè)子集后無(wú)顯著增加（圖2），因此本研究采用了20個(gè)子集。在Kupitz等[25]的研究中，最佳的迭代次數(shù)為24次，最佳的子集數(shù)為10個(gè)，所得出的最大球的定量誤差在10%左右，本研究結(jié)果相對(duì)更接近于真實(shí)值。這說(shuō)明CZT SPECT/CT的定量準(zhǔn)確性優(yōu)于傳統(tǒng)NaI SPECT/CT。

在所有重建參數(shù)，高斯濾波FWHM值與RCs之間顯示最顯著的相關(guān)性（r=-1.00～-0.87）以及最高的回歸系數(shù)（-11.83～-9.49），這說(shuō)明高斯濾波可能對(duì)定量準(zhǔn)確性有較大影響。本研究顯示，RCs均隨FWHM的降低而顯著下降。由于高斯濾波在RCs中無(wú)平臺(tái)期（圖3），所以今后的研究中還需再進(jìn)一步分析該參數(shù)。

AC+SC+RR組合在球體中具有較高的濃度一致性，同時(shí)AC+SC組合的RCs最低（圖5和表2）。AC+RR組合在各球體中計(jì)算的RCs均高于AC+SC+RR和AC+SC組合，這可能是對(duì)能量和位置信息不準(zhǔn)確的散射光子進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。AC+RR組合計(jì)算的最大37 mm球的RCs，正偏差甚至大于20%。相比之下，AC+SC+RR組合的正偏差僅為6.70%（表2）。由于散射光子占SPECT/CT探測(cè)器采集到的全部光子的20%～40%，應(yīng)用SC可以在很大程度上降低計(jì)算濃度的誤差[26]。Kim等[17]的研究也證實(shí)AC、SC、RR的使用能夠很大程度上提高定量的準(zhǔn)確性，與本研究結(jié)果一致。

表2 3種校正組合下所有球體的RCs比較（%）

在圖像質(zhì)量方面，AC+SC+RR組合在所有T/B比率中具有最好的對(duì)比度（表3）。而AC+SC+RR在各T/B比值中COV均高于AC+RR組合（表4）。Knoll等[27]的研究也顯示了類似的結(jié)果，即SC的應(yīng)用可能會(huì)增加背景變異性。這表明，雖然AC+SC+RR的定量性能最好，但其圖像質(zhì)量可能存在一定的爭(zhēng)議。本研究主要目的為進(jìn)行量化分析，因此選擇AC+SC+RR作為最優(yōu)校正組合。本研究還表明，在所有T/B比率中，COV都相對(duì)較高，分析原因?yàn)樵谝粤炕癁橹饕繕?biāo)時(shí)不可避免，因?yàn)楦蟮牡螖?shù)不僅會(huì)提高量化精度，同時(shí)會(huì)帶來(lái)更多的背景噪聲[28]。本研究結(jié)果從總體上解釋了以上重建參數(shù)在定量過(guò)程中的變化趨勢(shì)和影響程度，因此在臨床實(shí)踐中對(duì)于這些參數(shù)的組合估計(jì)可能仍有指導(dǎo)意義，可盡可能接近最優(yōu)化的重建條件。

表3 3種不同校正組合下所有球體的對(duì)比度百分比比較（%）

表4 3種不同校正組合下所有球體的COV（%）

本研究有以下4個(gè)局限性：① 建立的重建參數(shù)可能只適用于定量目的和本研究中調(diào)查的CZTSPECT/CT設(shè)備。同時(shí)，由于各種設(shè)備性能的不確定性、各種算法的復(fù)雜性、以及臨床上受檢患者、采集協(xié)議和采集環(huán)境的多樣性，本文提出的效率最優(yōu)的參數(shù)會(huì)不可避免的產(chǎn)生相應(yīng)變動(dòng)。② 為計(jì)算誤差最小的平均攝取值，并找出不同重建參數(shù)的影響，本研究以CT圖像為參考，繪制VOI，這在臨床應(yīng)用上可能存在局限性。③ 本研究中相應(yīng)COV均較高，這是以量化為主要目標(biāo)時(shí)不可避免的結(jié)果。一般情況下，隨著迭代次數(shù)的增加，圖像高頻信息逐漸豐富，像素值與噪聲水平會(huì)相應(yīng)增加，之后會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。④ 定量測(cè)量?jī)H使用基于CZT的SPECT/CT系統(tǒng)，而未使用基于NaI（Tl）的SPECT/CT系統(tǒng)，因此未進(jìn)行兩者間的比較。

4 結(jié)論

迭代次數(shù)對(duì)于絕對(duì)定量有較大的影響，較小的病灶需要更大的迭代次數(shù)來(lái)提高定量準(zhǔn)確性，其影響主要集中在35次迭代范圍內(nèi)；子集數(shù)對(duì)于絕對(duì)定量的影響較小，RCs在20個(gè)子集后已無(wú)明顯變化；高斯濾波器的FWHM值對(duì)于絕對(duì)定量的影響最大，RCs隨著FWHM值的增加而顯著降低且無(wú)平臺(tái)期可供選擇。圖像校正方法對(duì)于絕對(duì)定量也有較大的影響。其中，AC+SC+RR組合下的絕對(duì)定量更接近于真實(shí)值且圖像質(zhì)量相對(duì)較好。CZTSPECT/CT顯示了良好的定量準(zhǔn)確度，且35次迭代，20個(gè)子集，AC+SC+RR校正組合和不進(jìn)行濾波是較好的重建參數(shù)。